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        樁筏基礎(chǔ)樁土荷載分擔(dān)比研究

        2020-01-02 05:53:16呂林峰陳洪運
        鐵道建筑 2019年12期
        關(guān)鍵詞:樁間筏板長徑

        李 帆,呂林峰,陳洪運

        (1.河北工業(yè)大學(xué)土木與交通學(xué)院,天津 300401;2.中國鐵路設(shè)計集團有限公司,天津 300251)

        樁筏基礎(chǔ)是樁基礎(chǔ)與筏板基礎(chǔ)的有機結(jié)合,兼具了樁基礎(chǔ)和筏板基礎(chǔ)的特點,但樁筏基礎(chǔ)的傳統(tǒng)設(shè)計方法忽略了筏基下土體的承載力,認為上部結(jié)構(gòu)傳遞下來的荷載全部由樁基礎(chǔ)承擔(dān)[1]。從現(xiàn)場實測和模擬試驗的結(jié)果來看,大部分情況下筏板基礎(chǔ)下土體都會或多或少承擔(dān)一部分荷載,有時土體承擔(dān)荷載甚至超過樁基礎(chǔ)承擔(dān)荷載。雖然對筏基、樁基與土的共同作用已經(jīng)開展了許多研究,但是在實際工程中地基土承擔(dān)的荷載作用難以估計[2]。對于樁土荷載分擔(dān)的研究主要是利用數(shù)值模擬與理論計算的方法研究了筏板、墊層、樁、樁間土等對樁土荷載分擔(dān)的影響[3-10]。

        實際工程中,建筑物的荷載先傳遞到筏板,在筏板上進行荷載分配,按照一定比例分別傳遞到土體和樁體。為了計算樁體與土體之間承受荷載的比值,確定對樁土荷載分擔(dān)比產(chǎn)生影響的主要因素,本文通過有限元模擬軟件ABAQUS 建立模型進行數(shù)值計算。通過建立筏板雙樁基礎(chǔ)模型,對樁筏基礎(chǔ)中的樁土共同承擔(dān)荷載進行分析,通過改變影響樁土荷載承擔(dān)狀態(tài)的因素,總結(jié)出在具體情況下樁筏基礎(chǔ)中樁與土各自承擔(dān)荷載占總荷載的比值。

        1 筏板雙樁模型及其參數(shù)設(shè)置

        在鐵路路基工程中多采用等剛度樁筏基礎(chǔ),筏板下基樁的樁間距相同,筏板與基樁間設(shè)置一定厚度的墊層,每根樁對應(yīng)一定的筏板與墊層面積。利用軟件ABAQUS 建立了樁筏基礎(chǔ)的雙樁模型,以研究在改變土體參數(shù)、樁體參數(shù)、布樁形式及筏板墊層參數(shù)時不同影響因素對樁土荷載分擔(dān)比的影響。土體本構(gòu)模型采用Mohr-Coulomb 模型,樁采用彈性材料,樁周土的選取為樁體對應(yīng)筏板面積覆蓋下的土體,深度不小于樁長的2 倍。樁間距為2d(d為樁直徑)時樁筏基礎(chǔ)模型如圖1所示。樁直徑0.4 m,長10 m;樁側(cè)土、樁端土、墊層、筏板均為0.8 m×1.6 m,厚度分別為10.00,10.00,0.15,0.50 m。材料參數(shù)設(shè)置見表1。樁筏基礎(chǔ)設(shè)計為等剛度,每根基樁的樁徑、樁長相同,樁間距相同,筏板面積平分給每根基樁。

        圖1 樁筏基礎(chǔ)簡化模型示意

        表1 模型材料參數(shù)

        2 樁土荷載分擔(dān)比影響因素模擬

        鋼筋混凝土樁體剛度較大情況下,研究樁間距、長徑比、樁端土彈性模量、樁間土彈性模量、筏板厚度、墊層厚度、墊層彈性模量對樁土荷載分擔(dān)比的影響[4]。通過在筏板頂部施加荷載,計算隨荷載增加時樁體和土體荷載分擔(dān)的變化情況。

        2.1 距徑比對樁體荷載分擔(dān)比的影響

        構(gòu)建了2d,3d,4d,5d,6d共 5 組數(shù)值模型并對每組模型施加不同荷載,得到不同距徑比(Sa/d,Sa為樁間距)時樁土荷載分擔(dān)比變化曲線見圖2。

        圖2 不同距徑比時樁土荷載分擔(dān)比變化曲線

        由圖2可知:隨著荷載的增加,樁體荷載分擔(dān)比逐漸增大,超過0.8后增大速度減緩,比值趨于穩(wěn)定。土體荷載分擔(dān)比則隨荷載的增加逐漸減小,并在減小至0.2后減小速度減緩,趨于平穩(wěn)。

        不同距徑比時樁體荷載分擔(dān)比介于0.3~0.9,樁體荷載分擔(dān)比逐步增加之后趨于平緩,隨著樁距徑比的增大,樁體荷載分擔(dān)比逐漸減小。當(dāng)樁距徑比為6時,樁承擔(dān)的荷載僅占總荷載的0.4。樁距徑比超過6時,土體荷載分擔(dān)比過大,對整體而言是不安全的。在不同荷載水平下,樁體荷載分擔(dān)比隨樁距徑比改變的規(guī)律基本一致。由數(shù)值模擬結(jié)果擬合出樁距徑比Sa/d與樁體荷載分擔(dān)比δp的關(guān)系為

        2.2 長徑比對樁體荷載分擔(dān)比的影響

        長徑比是樁長l與樁直徑d的比值,長徑比的變化會影響樁土荷載分擔(dān)比。圖3給出了長徑比l/d由10逐級增加至50 時,樁體荷載分擔(dān)比隨荷載的變化規(guī)律。

        圖3 不同長徑比時樁體荷載分擔(dān)比的變化曲線

        由圖3可知:隨著長徑比的增加樁體荷載分擔(dān)比增大,當(dāng)l/d≥35 時樁體荷載分擔(dān)比基本保持不變。原因主要在于長徑比較小時,樁體能提供的最大摩阻力較小,當(dāng)樁端土彈性模量不變時,相應(yīng)的樁體荷載分擔(dān)比也會小。

        當(dāng)長徑比較小時,樁體荷載分擔(dān)比隨長徑比的增加而增大,當(dāng)達到一定尺寸后樁體荷載分擔(dān)比隨長徑比的增加逐漸趨于平緩,樁徑一定時,樁承擔(dān)的荷載不再隨樁長增加而顯著增大。長徑比l/d與樁體荷載分擔(dān)比的關(guān)系為

        2.3 端間土模量比對樁體荷載分擔(dān)比影響

        端間土模量比是指樁端土彈性模量ES與樁間土彈性模量ED比值,建模過程以樁端為界限分為樁間土和樁端土2 部分,樁間土彈性模量ED不變,通過改變樁端土模量ES達到改變端間土模量比ES/ED的效果。

        不同ES/ED時樁體荷載分擔(dān)比的變化曲線見圖4??芍?,樁端土模量的改變對樁體荷載分擔(dān)比影響很小,達到后期平緩階段某一荷載之后,隨著樁端土彈性模量的增大樁體荷載分擔(dān)比增大。由于樁體加載前期由側(cè)摩阻力提供承載力,所以前期樁端土彈性模量對樁體荷載分擔(dān)比影響不大。當(dāng)達到某一荷載之后,彈性模量越高的樁土荷載分擔(dān)更晚進入平穩(wěn)狀態(tài)。

        圖4 不同ES/ED時樁體荷載分擔(dān)比的變化曲線

        通過大量模型計算分析可以發(fā)現(xiàn),樁端土模量的改變對樁體荷載分擔(dān)比的影響十分不顯著,沒有出現(xiàn)明顯的波動。

        2.4 樁間土模量對樁體荷載分擔(dān)比的影響

        綜上所述,端間土模量比對樁體荷載分擔(dān)比的影響不大。保持樁端土彈性模量不變,分析樁間土彈性模量對樁體荷載分擔(dān)比的影響(見圖5)。

        圖5 不同樁間土彈性模量下樁體荷載分擔(dān)比變化曲線

        由圖5可知:當(dāng)樁端土彈性模量不變時,隨著樁間土彈性模量的增大,樁體荷載分擔(dān)比有明顯變小趨勢。這主要是因為隨著樁間土彈性模量的增大,在相同荷載作用下土產(chǎn)生的沉降減小,根據(jù)樁土間共同作用,樁產(chǎn)生的沉降也會減小,所以樁體承擔(dān)荷載就會比之前小,樁體荷載分擔(dān)比減小。樁間土彈性模量與樁體荷載分擔(dān)比的關(guān)系為

        2.5 筏板厚度對樁體荷載分擔(dān)比的影響

        筏板是承受上部建筑物荷載并將其傳遞到樁與土的結(jié)構(gòu)。不同筏板厚度Hf時樁體荷載分擔(dān)比變化曲線見圖6。

        圖6 不同筏板厚度下樁體荷載分擔(dān)比變化曲線

        由圖6可知:筏板厚度越厚,樁體荷載分擔(dān)比越小。當(dāng)樁體荷載分擔(dān)比趨于穩(wěn)定后,隨著筏板厚度的增加,樁體荷載分擔(dān)比逐漸減小但減小幅度較小幾乎不變,可以認為筏板厚度對樁體荷載分擔(dān)比影響不大。當(dāng)筏板厚度為0.2 m 時,由于筏板剛度較小導(dǎo)致承擔(dān)荷載后產(chǎn)生變形,故樁體荷載分擔(dān)比較小。

        綜上所述,增加筏板厚度對樁體荷載分擔(dān)比幾乎不產(chǎn)生影響。這對設(shè)計筏板厚度時具有一定的啟示作用。在高速鐵路施工設(shè)計中,建議筏板厚度取值為0.3~0.6 m,同時由于筏板厚度對樁體荷載分擔(dān)比影響較小,可在滿足承受上部荷載后的抗彎、抗剪、承載力等要求后適當(dāng)取小值,以達到經(jīng)濟的目的。

        2.6 墊層厚度對樁體荷載分擔(dān)比的影響

        墊層的主要作用是調(diào)節(jié)樁土荷載分擔(dān)比以及保證樁土共同作用,但目前對墊層厚度的取值還沒有具體的標(biāo)準(zhǔn),在建模設(shè)置中將墊層厚度Hc依次設(shè)置為10,15,20,25,30 cm進行荷載計算,結(jié)果見圖7。

        圖7 不同墊層厚度下樁體荷載分擔(dān)比變化曲線

        由圖7可知:樁體荷載分擔(dān)比隨墊層厚度的增加逐漸減小,產(chǎn)生這種情況的原因是墊層調(diào)節(jié)樁土荷載分擔(dān)比產(chǎn)生的。墊層較厚時,由于墊層彈性模量較小樁體會發(fā)生刺入墊層的現(xiàn)象,當(dāng)樁體刺入墊層后樁體荷載分擔(dān)比會明顯減小;墊層較薄時,隨著施加荷載的增大,墊層很快被壓實,樁體荷載分擔(dān)比明顯增加。當(dāng)墊層厚度達到30 cm 時,樁體荷載分擔(dān)比趨于平穩(wěn)。之后繼續(xù)增加墊層厚度,樁頂刺入墊層深度也會繼續(xù)增加。在墊層彈性模量不變的情況下,由于墊層協(xié)調(diào)樁土荷載分擔(dān)比的特性,樁體荷載分擔(dān)比將不會再有明顯的降低。通過整理總結(jié),可以得出樁體荷載分擔(dān)比與墊層厚度的關(guān)系為

        2.7 墊層模量對樁體荷載分擔(dān)比的影響

        一般墊層分為剛性墊層和柔性墊層,剛性墊層一般是C7.5—C10 的混凝土搗成,柔性墊層材料一般是各種散材料(如砂、爐渣、碎石等),通過改變墊層的彈性模量來模擬各種墊層材料。不同墊層彈性模量Ec時樁體荷載分擔(dān)比變化曲線見圖8。

        圖8 不同墊層彈性模量時樁體荷載分擔(dān)比變化曲線

        由圖8可知:隨著墊層彈性模量的增加,樁體荷載分擔(dān)比增大,出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是墊層厚度不變時,隨著墊層彈性模量逐漸增加樁頂越難刺入墊層,樁頂?shù)膽?yīng)力集中越強,導(dǎo)致樁體荷載分擔(dān)比越高。在同一荷載時墊層彈性模量越高樁體荷載分擔(dān)比越大。樁體荷載分擔(dān)比與墊層彈性模量關(guān)系為

        3 對樁土荷載分擔(dān)比影響因素總結(jié)

        根據(jù)上述對于影響因素的研究可以初步判定,對樁土荷載分擔(dān)比起到比較大影響的因素有:距徑比Sa/d、長徑比l/d、樁間土彈性模量ES、墊層厚度Hc、墊層彈性模量Ec。樁端土彈性模量ED對樁土荷載分擔(dān)比值影響不大且生效階段多在荷載加載到后半段才會產(chǎn)生,因此將土體視為均質(zhì)土。筏板厚度Hf對樁土荷載分擔(dān)比影響同樣不大,所以在計算時可近似忽略筏板厚度對樁土荷載分擔(dān)比的影響。綜合考慮對樁土荷載分擔(dān)比影響較大的因素,得到樁體荷載分擔(dān)比計算公式為

        通過樁體荷載分擔(dān)比計算公式,可以在不用多次建??偨Y(jié)的情況下更快捷地估算出樁體荷載分擔(dān)比。

        4 實例驗證

        選取京津城際鐵路武清段DK84+200 處橫斷面計算樁體荷載分擔(dān)比,計算斷面布置如圖9所示。樁體采用鋼管預(yù)應(yīng)力樁,樁徑為0.45 m,混凝土強度C65,樁長為30 m,樁間距為1.5 m,按正方形布置。樁頂設(shè)置厚0.15 m 碎石墊層,墊層上設(shè)置筏板,筏板采用C30鋼筋混凝土澆筑,厚0.5 m[11-12]。具體樁體材料參數(shù)以及地質(zhì)材料參數(shù)見表2。

        圖9 計算斷面DK84+200布置示意(單位:m)

        表2 樁身材料及土體參數(shù)

        由工程初始資料可以得出,樁直徑為0.45 m,樁長為30 m,樁間距為1.5 m,由此計算得出l/d=66.67,Sa/d≈3.33。從樁間土參數(shù)中可以查得,樁間土彈性模量ES=30 MPa,墊層為厚度0.15 m的碎石墊層,由此得出Hc=0.15 m,Ec=110 MPa,利用本文總結(jié)的樁體荷載分擔(dān)比公式可以計算得出樁體荷載分擔(dān)比為0.798,即在樁土共同作用時樁體承受荷載約為總荷載的0.8左右。文獻[12]中給出,實測位置樁體荷載分擔(dān)比為0.56~0.78。說明本文計算公式能較準(zhǔn)確地預(yù)測樁土荷載分擔(dān)比。

        通過實例可以看出,樁體荷載分擔(dān)比計算公式具有以下幾個優(yōu)點:①相對于其他計算方法,此方法可以較為快速地預(yù)測樁土荷載分擔(dān)比;②此計算方法可以在施工前期、未進行現(xiàn)場實測等工作時,使設(shè)計師較為快捷地預(yù)測出樁土荷載分擔(dān)比大致取值,對后續(xù)施工計算具有一定指導(dǎo)意義;③通過考慮樁土共同作用的問題,可以在設(shè)計樁筏基礎(chǔ)時更多考慮實際情況。

        5 結(jié)論與建議

        1)當(dāng)距徑比增大時,樁體荷載分擔(dān)比逐漸減??;樁體荷載分擔(dān)比隨樁長徑比增加而增加,當(dāng)長徑比增加到一定值后,樁體荷載分擔(dān)比基本保持不變;端間土模量比對樁體荷載分擔(dān)比影響很??;隨樁間土彈性模量的增大樁體荷載分擔(dān)比有明顯變小趨勢;筏板厚度增大時,樁體荷載分擔(dān)比略微減小,但對樁土荷載分擔(dān)比的影響十分小,幾乎可以忽略不計;隨墊層厚度增加樁體荷載分擔(dān)比逐漸減小,且減小幅度逐漸減小,達到一定厚度后,樁體荷載分擔(dān)比趨于平穩(wěn);墊層彈性模量越大,樁體荷載分擔(dān)比越大。

        2)將影響樁土荷載分擔(dān)比的因素進行總結(jié)歸納,最終得出樁體荷載分擔(dān)比計算公式,并通過實例進行驗證得出本計算公式能在施工前期較為簡便地預(yù)測樁土荷載分擔(dān)比。

        3)建議樁間距取值盡量小于6d,避免因樁間距過大導(dǎo)致土承擔(dān)荷載較多,在沉降可控的情況下,樁長不宜過長。筏板厚度取值為0.3~0.6 m,可在滿足抗彎、抗剪、承載力等要求后適當(dāng)取小值。墊層厚度應(yīng)根據(jù)墊層材料進行取值,對于墊層模量較大的材料,墊層厚度可適當(dāng)減小。

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